基于NFC技术的门禁系统设计

【摘要】本文在对现有的智能门禁控制系统进行全面分析的基础上，本着安全性、先进性、时效性、便捷性的要求，提出了一种基于nfc技术的门禁系统。通过自主开发软件实现对NFC芯片启动并发送相关指令给控制单片机，从而匹配控制步进电机的转动实现门禁系统设计。

【关键词】智能门禁;NFC;安卓系统;单片机;步进电机

1.前言

传统机械锁存在防技术开启能力较低，安全系统低，钥匙容易丢失甚至被复制等问题。随着科技的不断发展和人们安全防范意识的提高，传统的机械门锁已经不能满足人们对于家居生活的安全要求了。为满足人们对门禁的安全需求，智能门禁[12]正在快速兴起。智能门禁系统超越过去单纯的门道及钥匙管理，发展成为一套完整的出入管理系统。目前，智能门禁系统可分为密码识别、卡片识别和生物识别三大类。密码识别是通过检验输入密码是否正确来识别进出权限，操作方便，成本低，但是安全性不高，无进出记录。相比密码识别，卡片识别由于成本低，安全性较高等优点在各行各业得到了广泛的应用。卡片分为磁卡和射频卡，磁卡采用磁带磁化录入信息，在没有设备的条件下不易被复制，因而有较强的数据安全性，但是卡片信息易因外界磁场丢失，设备易磨损，寿命较短。射频卡[4]最大特点是非接触，所以没有磨损，操作方便，但易受电磁波影响。生物识别是通过检验人员生物特征，如：指纹、掌形、掌纹、视网膜血管图形等方式来识别进出，安全性极好，但是它的价格非常昂贵，识别率不高，对环境要求高，在门禁系统方面的应用非常有限。

总结各种智能门禁系统的优缺点，本文提出一种基于NFC技术的高安全门禁系统。其中包括后台管理系统、门禁控制器、门禁读卡器和门禁卡，后台管理系统包括计算机和SM1加密模块;SM1加密模块通过SATADevice接口与计算机主机接口连接，通过SATAHost接口与硬盘接口连接[9];门禁控制器包括SM1加密模块，后台管理系统计算机通过网络设备与门禁控制器通信连接;门禁读卡器和门禁卡之间通过无线电非接触连接;系统采用高强度安全芯片的CPU智能卡技术进行身份鉴别和数据加密通信，采用NFC技术，使系统具有极强的兼容性和高安全性，有效防止传输环节泄密，实现非接触卡门禁到SM2卡的平滑升级。

2.NFC技术的简述

NFC即近距离无线通讯技术[5]，是一种短距离的高频无线通信技术。该技术由飞利浦公司和索尼公司共同开发，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。NFC提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。NFC通信技术采取了独特的信号衰减技术，具有距离近、带宽高、能耗低、方便易用和更富直观性等特点。此外， NFC通过一个芯片、一根天线和一些软件的组合，费用仅为2～3欧元，成本低廉。NFC还完全符合管理非接触式智能卡的ISO标准，这是其成为理想平台的一大显著特点，这种移动门禁控制技术提高了原有门禁控制系统的实用性和便利性。

NFC工作模式：

（1）主动模式

在主动模式下，每台NFC设备需要向其他NFC设备发送数据信息时，都要产生自己的射频场。如图2.1.1所示，为了利于通信，目标设备和发起设备都会产生自己的射频场。在主动模式下通信双方可以迅速的连接[1]，这就是点对点的标准模式。

图2.1.1 主动模式

（2）被动模式

在被动模式下，作为NFC发起设备（也称主设备，主动启动NFC通信的设备）的一方在整个通信过程中提供射频场。

图2.1.2 被动模式

如图2.1.2所示，NFC发起设备选择传输速度，将数据发送到目标设备上。目标设备不必产生自己的射频场，而是利用感应电动势来提供工作所需的电源，通过负载调制（Load Modulation）技术进行数据收发。移动终端主要以被动模式为主，大幅度降低功耗，延长电池使用时间。而在一个NFC通信过程中，NFC设备可以在发起设备和目标设备两者之间相互转换。这样电池电量较低的设备可以改变角色以节省电量。

3.NFC在智能门禁应用上的优势

3.1 与密码识别、卡片识别等智能门禁系统的相比的优势

与密码识别、卡片识别等智能门禁系统相比，NFC门禁系统安全性更高，能将许多门禁应用整合成单一的、非常便利的模式，主要表现为以下几点：

第一，在一般智能门禁中，绝大多数采用RS-232和RS-485的硬件接口标准，使各种读卡器以及监控设备相互连接起来。如果出现事先并未配备所需线路的设备，就只能在建筑物上打洞完成安装，而NFC门禁系统就可以避免这种现象的发生。

第二，该方式为集成应用到门禁系统解决方案的用户带来巨大优势。除了提供集中式管理外，集成多种应用的门禁系统为用户提供便利，如无需携带多种卡即可完成开门、登录计算机、使用考勤和安全打印管理系统、支付餐费或交通费、执行非现金交易等应用。

第三，方便用户加入其他新应用。目前包括指纹、虹膜或手掌几何特征、静脉纹等生物识别模板等都能安全地存储到卡上，作为身份验证的附加条件，并实现其他应用包括用于楼宇自动化和病历管理的门禁功能。

3.2 与蓝牙等移动智能门禁系统相比的优势

（1）安全性高

NFC短距离通信特征成就了其通讯的安全性[2]，主要表现在双方的连接和身份验证。NFC拥有安全的连接，它的无线加密连接只需要一个公钥，在带内通道的不可见、以及建立连接之后对密钥的对称加密，都加大了基于NFC 的无线连接的安全性;NFC设备身份验证，不是伪装的被动/主动中间人生成的验证设备，而是确保连接密钥以预期的验证设备，只需将双方设备靠拢即可触发相关软件和用户界面。

（2）连接建立的快速性

通过表1我们可以很直观的看到三者的区别。NFC的短距离通信特性[6]正是其优点，由于耗电量低、一次只和一台机器连接，拥有较高的保密性与安全性，NFC有利于避免信用卡交易时被盗用。

（3）耗能低。NFC的耗电量远远小于蓝牙和红外装置，把NFC模块装载在智能手机里，不需要手机供电一样可以使用。

（4）制造成本低。NFC技术已经解决了，只需要把一块NFC功能模块搭载到移动终端就可以使用，制造成本低。

4.NFC门禁系统的技术要点

本设计主要通过编写安卓软件来控制NFC芯片进行数据的传输[8]，与门禁系统上的单片机进行匹配，并控制步进电机最终实现手机开门的功能。NFC技术与门禁系统的整合，最关键的是硬件和软件两方面。硬件方面，通过升级门禁系统的识别前端（即读卡器），在门禁的读头/锁头有NFC芯片，当它感应到NFC 手机的时候，NFC芯片会释放一个口令到门禁系统前端读卡器，随之控制步进电机，实现门锁的打开或关闭。

图4.1 NFC门禁硬件设计

软件方面，安卓软件用于控制移动电话NFC芯片，完成和门上单片机系统的数据通信，并发送开门密码，最终实现对门禁权限空中授权、手机拨号开门、预约访问、门禁信息查询、手机布防撤防等功能。

图4.2 基于NFC技术的门禁手机客户端

4.1 安卓系统软件的开发

安卓软件[3]用于控制移动电话NFC芯片，以实现和门上单片机系统的数据通信，并发送开门密码;还应该有前台输入密码的界面和保存房卡密码的功能。图4.1.1为安卓系统中的NFC框架。

图4.1.1 安卓系统中的NFC框架

从图4.1中我们可以看出NFC在软件实现上，可以分为4个层次，数据正是通过一层层的传递，在主机和芯片之间建立了联系，从而使整个NFC功能得到实现。图4.1.2为应用程序启动流程图。

图4.1.2 应用程序启动流程图

在手机设置中勾选NFC选项后，程序会初始化一个Nfcservice的对象并在后台中运行。调用Nfcservice中的enable（）函数来对NFC做初始化操作。

初始化操作分以下几个步骤：

（l）初始化一个NativeN允Manager对象，调用对象initialize Nativestrueture（）函数完成对本地芯片的初始化工作。注册IZC回调函数，初始化IZC结构体，打开NFC设备文件，创建一个读线程不断循环等待IRQ中断。等有数据到来，中断返回并向上层传递数据。

（2）初始化NdePushClient对象，用于将本地的NDEF信息通过LLCP连接发送到服务器，注册并接收一个reeeiver。初始化NdePushserver对象，通过LLCP连接接收NDEF信息。

（3）调用maybeEnableDiseover（）函数开始轮询操作，主要是调用NdePushserver对象的start（）函数开启本地的服务端用来接收NDEF消息。不断循环创建LLCP连接，等待发送方发送消息。

4.2 单片机/NFC系统的开发

门上单片机系统[11]用于控制门上的NFC芯片，实现与移动电话的通信，并校验手机安卓系统发来的密码，决定是否开门。我们采用的是SMC532模组，是一个集成了MCU+NFC的模组，采用NXP的PN532作为NFC底层通信链路，只需要简单的串口指令就能实现NFC 读写卡＼卡模拟＼点对点（P2P）通信等功能。单片机的编程，主要是为了实现单片机读取NFC所传输的数据的功能，并进行数据匹配，实现单片机读取NFC输入的数据对步进电机的控制，如果匹配成功，步进电机转一圈即成功;如果匹配不成功，则自动关闭系统。

4.3 步进电机的应用

步进电机[7][10]需要响应单片机的指令，实现开门的动作。步进电机选择28BYJ-48四相步进电机，并用uln2803外设电路驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…）、双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-…）、八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…），由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口。

5.总结

随着NFC技术的发展，NFC在日常生活中的应用也越来越多。但是在未来几年中，支持NFC的智能手机很难完全取代智能卡。NFC智能手机中的移动门禁虚拟凭证卡将与智能卡和身份卡共存，以便企业能选择，在其门禁控制系统中，是使用智能卡、移动设备还是二者同时使用。然而随着NFC技术应用范围的不断扩大，NFC技术的潜力将得到更充分的发挥。基于NFC技术的手机一卡通已开始崭露头角，采用NFC手机实现开门、停车、移动支付等方式已经成为一种时尚，NFC技术对移动门禁的影响将日益扩大。

参考文献

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